第一章 概论
　　本书借鉴已开展的降水日变化研究的方法和成果，充分利用可用的台站观测资料、高分辨卫星观测产品和融合降水产品，力求给出中国降水日变化完整的物理图像，并以此评估目前数值模式再现降水日变化的能力和不足，讨论新时代精细化的客观预报方法和途径，希望能帮助读者全面了解和理解降水日变化丰富的内容和科学内涵，或为开展相关科学研究、数值模式研发与评估和应用、无缝隙降水预报和精细化气象服务及有关工程设计，提供有用的科学依据、参考和启发。
　　第一节 研究意义
　　一、降水的相关科学认知备受关注
　　水是人类生存、生活和生产所不可或缺的必要存在，是人类社会发展进步的基础保障。降水的时空分布、过程演变和不同时间尺度变化对地球系统的水资源分布、自然生态环境、水循环和能量循环过程都有不可替代的调节作用。降水直接影响一个区域、一个国家乃至全球的经济布局和人口格局。我国著名的“胡焕庸线”，是从黑龙江的黑河到云南的腾冲之间的连线，几乎平分我国的陆地国土为东南和西北两个部分，它表征的是我国的人口分布线，东南半壁的面积略小于我国陆地国土面积的一半，却生存了约95%的人口。但早有分析指出，“胡焕庸线”与我国400mm年降水量等值线高度吻合，这突出表明了经济社会发展布局和人类社会可生存环境严重依赖于降水的气候分布。
　　导致降水发生、发展和演变的数学、物理甚至化学过程复杂，涉及的因素多，非常难以把握。而由于我国的地理环境特殊，在地形强迫和海-陆-气相互作用的影响下，降水过程更加复杂，降水的演变和异常变化涉及的科学问题更加突出，降水气候特征的区域差异更加显著，降水异常变化对经济社会发展和生产生活的影响更加严重。我国气象灾害占自然灾害总量的3/4左右，与降水多寡有关的旱涝灾害则占全部气象灾害的80%以上（黄荣辉等，2005）。为此，我国科技人员围绕与降水相关的科学问题长期开展了大量富有成效的科学研究工作。陶诗言（1980）的《中国之暴雨》是早期*全面论述中国降水气候分布特征、大尺度环流背景、多尺度系统相互作用及其相关的分析和预报方法等具有里程碑意义的重要论著，是长期以来中国气象工作者从事天气尺度的降水科学研究和天气预报业务的重要参考。
　　降水的异常变化可通过改变水资源分布和水循环过程，对人类和自然生态系统产生难以抗拒的影响，可通过改变能量循环过程对气候的长期变化产生深远影响，并进一步对人类的生产、生活和生态环境产生长期影响。降水的形成、发展、演变、区域特征、异常变化等始终关联着人类经济建设、政治建设、文化建设、社会建设和生态文明建设，始终是气象学、气候学、生态学、地理学、水文学，甚至是经济、历史和社会相关学科等备受关注的研究课题。现代人类文明的发展越来越需要合理利用水资源和把握降水过程以实现趋利避害，因而人们高度关注降水的时空分布和演变特征及异常变化（Trenberth et al.，2003；Legates and Willmott，1990；Strangeways and Smith，1985；Wernstedt，1972）。
　　二、降水日变化的深入研究是现代气象事业发展的重要关切
　　由于受气象观测技术和气象科学认知的限制，早期的降水研究主要关注较大范围的强降水事件。主要研究成果多为对日平均以上时间分辨率与百公里以上空间分辨率的降水时空分布和变化规律的认识，对降水预报准确率的评价也主要是关注对24h累积降水量的TS评分（threat score）（Casati et al.，2008；Schaefer，1990）。一些相对细致的降水过程研究主要是少数基于局部很有限时段的业务观测或科学试验数据所开展的，且多以个例分析为主，对成云致雨过程的认识始终存在很大的不完整性和不确定性，也难以获得对降水精细化过程普适可靠的规律性认识。
　　随着人类社会的不断进步和发展，人们对高质量气象服务的需求日益强烈，尽可能提高全覆盖、精细化的气象预报服务能力已成为现代气象事业发展的不懈追求，而降水精细化预报则是重中之重、难中之难。要攻克降水精细化预报的科学难题，至少需要对成云致雨的降水精细化过程有尽可能深入的认识和把握，对气象数值模式再现降水精细化演变过程的能力有客观的评估和理解，对丰富的数值模式降水产品有合理的精细化校正和科学应用。我们知道，多数强降水过程集中在24h之内，往往还具有突发性和瞬时性，多数的强降水事件及其影响也主要集中在百公里甚至更小的空间尺度。缺乏对降水精细化过程的科学认识也就制约了对降水演变规律及其异常变化机制的深入研究和理解。这不仅限制了人们对降水过程的科学认识，也无法满足现今人们对精细化气象服务的迫切需求。当前公众已不能满足于知道明天是否有雨，而是需要知道什么时候降水开始、什么时候降水结束、降水强度多大、有无间歇等。要真正获得对降水精细化过程的科学认识，就必须着眼于更高时空分辨率的降水演变过程研究。随着现代科学技术的发展，气象观测水平和能力显著提高，具有较高时空分辨率的降水等气象资料日益增多，使得人们可以以此开展相关降水过程和降水精细化气候特征研究。鉴于目前的资料状况、科学问题和气象业务需求，现阶段开展*为广泛且*受关注的降水精细化过程研究，是降水日变化及其过程特征和机制的相关研究。
　　降水日变化过程对地球系统的水循环、能量循环、生态环境及人类活动都有重要影响，对地球气候系统演变有重要的反馈作用。深刻认识降水日变化有助于在地球系统框架下理解降水的形成机制；有助于理解区域天气气候发展演变的物理规律；有助于深刻认识目前数值模式模拟结果的不确定性问题，为发展与改进天气和气候数值模式找到努力方向；有助于发展定时、定量、定点的精细化客观气象预报方法；有助于开展面向更高需求的靶向气象服务；有助于指导有关水文工程建设和城市建设等重大工程排水系统的设计与施工；有助于提高对区域生态环境形成和变化的科学认识，从而指导生态保护和趋利避害的科学决策，不断满足人们日益增长的优质生态产品需求。
　　三、降水日变化科学问题复杂，中国降水日变化内涵丰富
　　地球气候*基本、*规律的循环变化周期有两类，分别是由地球公转决定的季节循环变化和由地球自转决定的日循环变化。地球表面的温度场、风场、气压场、降水等诸多气象变量均表现出显著的日循环变化特征。由于地球表面海陆和地形分布复杂，地球表面及近地层受到极不均匀的辐射强迫影响，因此气象要素的日变化存在鲜明的区域差异，其中降水日变化的区域差异更为显著。不同下垫面和地形的起伏，对太阳辐射过程的响应不同，形成了地表热力强迫日变化的区域差异，从而直接影响低层大气风场、温度场、湿度场和地面气压场等的日变化；而起伏不平的下垫面对气流的摩擦和阻挡作用不同，形成了动力强迫的区域差异，强化了低层环流日变化及其对降水等的影响。不同时空尺度的热力驱动和动力驱动造就了不同区域不同尺度的温度场、湿度场、风场、降水等的区域结构及日变化。
　　降水日变化涉及水汽相变和成云致雨的演变过程，涉及不同尺度、不同类型下垫面非均匀强迫的相互作用，也涉及大尺度大气环流背景场的调制和影响，是地球系统中大气热力和动力过程对水循环过程影响的综合体现。
　　正是由于降水日变化研究具有显著的科学意义，且对人类经济社会活动有重要的指导作用，早在20世纪初，降水日变化就已引起气象学家的关注（Kincer，1916；Hann，1901）。Kincer（1916）不仅给出了美国不同区域若干气象台站的降水日变化特征，还特别强调了掌握降水日变化规律对天气预报、经济活动、农业生产和人们出行等都有重要的指导作用。Ramage（1952b）通过分析中国东部及日本、韩国数十台站的降水日变化特征，指出了沿海台站以清晨降水峰值为主，内陆地区以午后降水峰值为主，体现了海陆风过程对沿海地区降水日变化的重要影响。中国气象学家吕炯（1942）在20世纪中叶就指出了“巴山夜雨”的降水日变化特征。应该说，山谷风和海陆风日变化对降水日变化的基本影响在20世纪中期就已被广泛认识（Kraus，1963；Bleeker and Andre，1951；Neumann，1951）。但受当时观测技术和经济社会发展水平的影响，此前降水日变化的研究受台站数量和观测信息量的限制，因而多为基于局部区域少数台站有限时段观测资料的有限分析，难以获得对降水日变化整体特征全面系统的理解。对山谷风和海陆风对降水日变化的影响也只停留在一个初步的基本认识层面。随着现代科学技术的发展，气象观测站网日趋完善，卫星和雷达遥感观测基本实现空间全覆盖，数值模式模拟能力不断提高，高时空分辨率的气象观测资料和数值模式产品日趋丰富，系统的降水日变化研究在近二十多年来进展显著（Yu et al.，2007b；Sorooshian et al.，2002；Dai，2001；Yang and Slingo，2001）。
　　中国西倚青藏高原，东临太平洋，地形起伏和海陆交错分布极其复杂，海表与陆地、高原与平原、山峰与山谷的不同尺度的热力差异日变化交叠影响，因此降水日变化内容丰富，区域差异显著，降水日变化的科学问题集中且复杂。提高对中国区域降水日变化特性和演变过程的理解，有助于提高对中国区域天气、气候发展演变规律的认识，对全面正确理解降水演变过程、全面把握地球系统的水循环和能量循环及地球系统演变规律也有重要的借鉴作用。
　　第二节 资料及数值模式
　　一、资料
　　本书所用的资料主要有四类，分别是台站观测资料、卫星资料、融合降水产品及再分析资料。
　　（一）台站观测资料
　　1. 台站日降水数据集
　　本书所用的日值降水资料取自包括2100余个国家级地面气象站（国家基准气候站、国家基本气象站和国家一般气象站）基本气象要素的中国地面基本气象要素日值数据集（V3.0）。中国气象局开展的地面基础气象资料建设工作，已对2100余个国家级地面气象站月报数据文件中的观测数据进行了反复质量检测与控制，在数据集制作过程中，对数据集进行了严格的质量控制，对发现的可疑和错误数据给予了人工核查与更正，并*终对所有要素数据标注质量控制码。本书第二章使用了此数据。
　　同时，本书还用到中国气象局国家气象信息中心收集整理的台湾地区7个地面观测站的日降水资料。本书第二章使用了此数据。
　　2. 台站逐小时降水数据集
　　本书采用了两套逐小时降水资料：中国国家级地面气象站逐小时降水数据集（V2.0）与中国高密度国家级和区域自动站逐小时观测数据集。
　　中国气象局国家气象信息中心提供的中国国家级地面气象站逐小时降水数据集（V2.0）（张强等，2016），包含2100余个国家级地面气象站经过严格的数据质量控制所形成的逐小时降水数据。该数据集中2000年前的逐小时降水数据由翻斗式或虹吸式自记雨量计降水记录的数字化而来，2001年后的逐步由自动雨量传感器观测所得。
　　地面自动气象观测系统建立之前的台站降水观测包括人工雨量筒定时观测、翻斗式或虹吸式自记雨量计观测两大类。雨量筒定时观测频次为 6～12h/次，多用于日、月、年降水量统计。翻斗式或虹吸式自记雨量计是将观测的降水迹线记录在自记纸上，通常观测员会按照自记纸上每个时次降水迹线起止点计算该时段的降水量，得到逐小时降水量，然后填写到月报表中，制作地面气象记录月报表。获取该数字化的逐小时降水资料通常有两种方法，一是通过录入月报表记录得到该月的逐小时降水数据，二是利用迹线提取软件处理直接得到自记纸上的逐小时降水观测值。进入21世纪后，我国逐步建立了地面自动气象观测系统，自动降水观测取代了原来的自记降水观测，此后台站的逐小时降水数据来源于自动雨量传感器观测。
　　随着历史资料数字化工作的推进，中国气象局国家气象信息中心已经把所有国家级地面气象站的历史降水记录数字化。首先在全国历史地面气象月报表、降水自记纸等一系列原始馆藏记录数字化工作的基础上，整合出一套中国国家级地面观测台站建站至自动站建立前的逐小时降